DE2306825B2 - Elektrisches kontaktmaterial aus einer silber und mindestens ein metalloxid enthaltenden legierung - Google Patents
Elektrisches kontaktmaterial aus einer silber und mindestens ein metalloxid enthaltenden legierungInfo
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Description
35
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Kontaktmaterial aus einer Silber und mindestens ein
Metalloxid enthaltenden Legierung.
Als elektrische Kontaktmaterialien, beispielsweise für elektromagnetische Schalter, werden in großem Umfange
Silber und Silberlegierungen verwendet, wie beispielsweise Silber-Nickel-Legierungen, Silber-Wolfram-Legierungen
und Silber-Cadmiumoxid-Legierungen (A. Keil, »Werkstoffe für elektrische Kontakte«,
Springer-Verlag, I960, Seiten 324, 325). Es ist auch ein
Verbundwerkstoff für elektrische Kontakte bekannt (DT-AS 11 39 281), der als Grundmaterial Silber oder
eine Silberlegierung enthält mit Zusätzen von Chromoxid und Nickeloxid oder von Nickeloxid und
Lithiumoxid.
Als besonders vorteilhaft haben sich Silber-Cadmiumoxid-Legierungen
erwiesen, die in der Regel etwa 12 Gew.-% Cadmiumoxid enthalten und die die besten
Eigenschaften aufweisen und bisher in großem Umfange als elektrisches Kontaktmaterial verwendet worden
sind (US-PS 25 39 298). Es ist auch eine solche Silber-Cadmiumoxid-Legierung für elektrisches Koritaktmaterial
bekannt (US-PS 36 94 198), wobei die Legierung etwa 0,005 bis etwa 1 Gew.-% Beryllium,
Magnesium, Aluminium oder eines seltenen Erdmetalle enthält, wodurch eine Ausscheidung von Cadmiumoxid
in Schichten auftritt, die parallel zur Oxidationsfront verlaufen.
In jüngster Zeit hat sich jedoch gezeigt, daß das Cadmium in den genannten Legierungen nachteilige
Wirkungen auf den menschlichen Körper ausübt und die Umwelt verschmutzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die bekannten Kontaktmaterialien dadurch zu verbessern, daß eine
Silber-Metalloxid-Legierung angegeben wird, die kein schädliches Cadmium mehr enthält, die jedoch in ihren
Eigenschaften den bekannten Silber-Cadmiumoxid-Legierungen mindestens gleichwertig ist. Gelöst wird diese
Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß das Kontaktmaterial außer dem Silber die folgenden, darin
gleichmäßig dispergierten Oxide enthält:
a) bis zu 2,5 Atomprozent, bezogen auf das Metall, wenigstens eines Oxids aus der durch die Metalle
Magnesium, Mangan, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink bestehenden Gruppe und
b) 0,05 bis 5 Atomprozent, bezogen auf das Element, wenigstens eines Oxids eines Elementes der
seltenen Erdmetalle, wobei der aus den Oxiden zu a) und b) insgesamt resultierende Gehalt an Oxiden
5 Atomprozent nicht übersteigt.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktmaterials der im
Patentanspruch 1 angegebenen Zusammensetzung, und dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man
zunächst eine aus dem Silber und den angegebenen Metallen bzw. seltenen Erdmetallen bestehende Legierung
schmilzt, so daß sich die geringen Mengen der Metalle bzw. seltenen Erdmetalle in dem Silber
gleichmäßig auflösen, und daß man dann die so erhaltene Zusammensetzung in einer oxidierenden
Atmosphäre bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 400 bis 9000C so lange erhitzt, bis die
geringen Mengen der darin enthaltenen Metalle bzw. seltenen Erdmetalle in ihre Oxide umgewandelt worden
sind.
Durch die Erfindung ist ein von Cadmium freies elektrisches Kontaktmaterial geschaffen, dessen Eigenschaften
den Eigenschaften einer Silber-Cadmiumoxid-Legierung, die bisher als zu den besten gehörend
angesehen wird, nahezu gleich oder sogar noch überlegen sind. Hierbei tragen die Oxide der Elemente
der seltenen Erdmetalle wesentlich zur Verbesserung der Eigenschaften bei wie zur Verbesserung des
Widerstandes gegenüber Verschweißungshaftung, des Widerstandes gegenüber Erosion und des Kontaktwiderstandes.
Es wurde dabei festgestellt, daß der Widerstand gegen Erosion und gegen Verschweißungshaftung
des Kontaktmaterials auf Grund der synergistischen Effekte verbessert werden, die sich aus den
Oxiden der Elemente der seltenen Erdmetalle und der anderen vorhandenen Metalloxide ergeben. Die Oxide
von Magnesium und Mangan tragen in erster Linie zur Verbesserung des Widerstandes gegen Erosion bei,
während durch die Oxide von Zirkon, Titan, Nickel und Zink hauptsächlich der Widerstand gegen Verschweißungshaftung
verbessert wird.
Der Gehalt an den obengenannten Metalloxiden übersteigt nicht 2,5 Atomprozent als Metall, und der
daraus resultierende Gehalt einschließlich des Elements der Cergruppe übersteigt nicht 5 Atomprozent. Die
obenerwähnten Metalloxide sowie das Oxid de: Elements der Cergruppe werden in Form der Metalle ir
Silber eingeschmolzen, und der dabei erhaltene Formkörper der gewünschten Gestalt wird aus der
dabei erhaltenen Legierungen hergestellt, in eine: oxidierenden Atmosphäre erhitzt, um die obengenann
ten Metalle in Oxide zu überführen. Wenn jedoch dei Gehalt an den Metallen die angegebenen Grenzwert«
übersteigt, entstehen aufgrund der Volumenausdeh nung, wie oben in bezug auf das Element der Cergruppt
15
erwähnt, Risse in dem Kontaktmaterial, und dadurch verschlechtern sich die Kontakteigenschaften des
Materials.
Nachfolgend werden die bevorzugten Bedingungen zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kontaktmaterials
angegeben. Das erfindungsgemääe Kontaktmaterial wird durch Aufschmelzen einer Legierung, die aus
einer größeren Menge Silber und einer kleinen Menge mindestens eines Elements der seltenen Erden der
Cergruppe und gegebenenfalls einer geringen Menge ,0
mindestens eines Metalls aus der Gruppe Magnesium, Mangan, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink besteht, und
Erhitzen des dabei erhaltenen Materials in einer oxidierenden Atmosphäre auf eine Temperatur innerhalb
des Bereiches von 400 bis 9000C, bis die obengenannten Komponenten, die in geringer Menge in
der festen Lösung enthalten sind, in die Oxide überführt worden sind, hergestellt. Wenn eine definierte, aber
geringe Menge des Elements der Cergruppe oder des obengenannten Metalls dem Silber zugesetzt und bei
einer Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes von Silber, d. h. oberhalb 96O0C, geschmolzen wird, löst sich
die zugegebene, obengenannte Komponente leicht und gleichmäßig in der Silbermasse auf und bildet eine
Legierungszusammensetzung.
Wenn das Material abgekühlt und erstarrt ist, wird es
in einer oxidierenden Atmosphäre erhitzt, so daß die in fester Lösung enthaltene Komponente in ein Oxid
überführt wird. Bevorzugt wird das Material dem obengenannten Oxidationsverfahren unterworfen,
nachdem es in ein für die praktische Verwendung geeignetes Kontaktstück, z. B. in eine Scheibe, einen
Kegel, eine Platte od. dgl., verformt worden ist, das dann zur Herstellung des Endproduktes leicht zerschnitten
werden kann. Dies ist deshalb erforderlich, weil die Verarbeitung des dabei resultierenden Kontaktmaterials
ziemlich schwierig wird, nachdem die zugesetzten Komponenten in die Oxide überführt worden sind. Bei
der oxidierenden Atmosphäre kann es sich um Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Gas, wie
Luft, handeln. Wenn die Erhitzungstemperatur 4000C übersteigt, wird die dem Silber zugesetzte Komponente
selektiv oxidiert. Niedrigere Temperaturen, z. B. Temperaturen unterhalb 3000C1 führen auch zu einer
Oxidation des Silbers. Deshalb sollten derartige niedrige Temperaturen vermieden werden, und es dürfen
natürlich auch nicht solche hohen Temperaturen angewendet werden, bei denen das Silber schmilzt. Der
am meisten bevorzugte Temperaturbereich liegt bei 600 bis 8500C. Je höher die angewendete Temperatur ist, um
so schneller verläuft die selektive Oxidation und um so größer ist der Partikeldurchmesser der Oxide der
zugesetzten Komponenten. Wenn das Endprodukt, d. h. das Kontaktstück, eine geringe Größe hat, sollte der
Partikeldurchmesser der Oxide vorzugsweise klein sein. Wenn jedoch das Endprodukt groß ist, kann der
Partikeldurchmesser der Oxide größer sein und häufig sind größere Oxidpartikel erwünscht. Die zur Vervollständigung
der Oxidation der zugesetzten Komponenten erforderliche Zeit hängt von der Art und Menge der
zugesetzten Komponenten, der angewendeten Erhitzungstemperatur, dem Sauerstoffpartialdruck und der
Dicke des Kontaktmaterials ab. Im allgemeinen reicht jedoch ein Zeitraum von etwa 100 Stunden bei einer
Temperatur von etwa 7000C aus. Die Dauer des erforderlichen Zeitraumes kann in jedem Einzelfalle
durch Vorversuche ermittelt werden. Die Erfindung und die dabei erhaltenen Effekte
werden in den nachfolgenden Beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. In diesen
Beispielen wurden La mit der Atomzahl 57 und Sm mit der Atomzahl 62 als kleinster und größter Vertreter der
Cergruppe als Elemente der Cergruppe verwendet. Als Metalle, die gegebenenfalls zugegeben werden können,
wurden Magnesium, Mangan und Zirkonium verwendet, Jede der in der folgenden Tabelle aufgezählten
Legierungen von Silber und den angegebenen Komponenten wurde in einem Tanmann-Ofen geschmolzen.
Nachdem die geschmolzene Legierung abgekühlt und erstarrt war, wurden Proben mit einer Kontaktoberfläche
von 6 mm im Durchmesser und einem Radius mit einer Krümmung R von 20 mm, wie in der F i g. 2
dargestellt, hergestellt. Diese Proben wurden in einer oxidierenden Atmosphäre 250 Stunden lang auf 6500C
erhitzt zur Durchführung der selektiven Oxidation der zugesetzten Komponenten. Die oxidierten Proben
hatten die in der folgenden Tabelle angegebenen Vickers-Härtewerte.
Zugesetzte Komponenten
(Atom-%)
(Atom-%)
Vickers-Härte
1 | La (0,53) | Mg (0,49) | 54,4 |
2 | La (1,14) | Zr (0,49) | 58,2 |
3 | Sm (0,98) | Mn (0,53) | 56,0 |
4 | La (0,36) + | 103,0 | |
5 | La (0,40) + | 60,3 | |
6 | Sm (0,47) + | 82,5 | |
In der F i g. 1 der Zeichnungen sind Photographien der MikroStruktur der Beispiele (Proben) 1, 3, 4 und 5
angegeben. Bei der Matrix handelt es sich um Silber, und bei den Flecken oder schwarzen Punkten handelt es sich
um die Oxide der zugesetzten Komponenten.
Für jede Probe wurden zwei Stücke mit einander gegenüberliegenden Kontaktoberflächen zusammengesetzt,
und es wurden die elektrischen Kontakteigenscharten, wie nachfolgend angegeben, gemessen. Die
numerischen Werte sind in den F i g. 3 bis 5 graphisch dargestellt.
Bei der Messung der Erosionsbeständigkeit und des Kontaktwiderstandes wurde die auf die beiden Stücke
angewendete Herstellungskraft auf 1,96 N (200 g) eingestellt, und die Bruchkraft wurde auf 2,94 N (300 g)
eingestellt. Bei der Messung der Beständigkeit gegen Verschweißungshaftung (welding adherence) wurde die
Herstellungskraft auf 0,833 N (90 g) und die Bruchkraft auf 0,49ON (50 g) eingestellt. Bei beiden Messungen
wurde die Geschwindigkeit für den Öffnungs-Schließungs-Vorgang
auf 63 mm/s festgelegt, und die Arbeitsfrequenz wurde auf 120 pro Minute eingestellt.
Es wurden eine Wechselspannung von 100 Volt, ein Kreisstrom von 10 bis 50 Ampere und eine nichtinduktive
Belastung angewendet.
Nach 105 Arbeitsgängen wurde die Erosionsmenge an
beiden Elektroden mittels einer Mikrowaage mit einer Genauigkeit von 1/1000 mg gemessen und in Form
eines aus zwei oder mehreren Meßwerten erhaltenen Durchschnittswertes angegeben. Die meisten Meßwerte
lagen innerhalb einer Abweichung von ±10% von dem Durchschnittswert.
Der Kontaktwiderstand der gleichen Probe ist wie die entsprechenden Werte der Erosions- oder Verschleiß-
messung angegeben als Durchschnittswert von 10 Messungen, wobei der Spannungsabfall zwischen den
Kontaktpunkten nach lOMacher Wiederholung des Arbeitsganges und der Teststrom gemessen wurden.
Die Verschweißungsadhäsionseigenschaften wurden dadurch ermittelt, daß man den Teststrom über einen
breiten Bereich variierte, wobei für jeden Strom 3 · 104
Arbeitsgänge durchgeführt wurden, und die Anzahl der Häufigkeit des während eines solchen Arbeitsganges
anhaftenden Kontaktes bestimmte; schließlich wurden sie aus der Kurve des Teststromes gegen die Anzahl der
Häufigkeit des anhaftenden Kontaktes bestimmt.
Die F i g. 3 zeigt die Ergebnisse der Erosionstests, die mit jeder Probe durchgeführt wurden. Jede Probe wies
eine geringere Erosionsmenge auf als die aus Silber allein bestehenden Kontakte, was zeigt, daß die
Erosionsbeständigkeit mit derjenigen von Ag-12CdO-Kontakten, die bisher in großem Umfange verwendet
wurden, vergleichbar ist. Die Probe Nr. 4 (0,36 La + 0,49 Mg) und die Probe Nr. 6 (0,47 Sm + 0,53 Mn)
zeigen eine geringere proportionale Zunahme der Erosionsmenge bei Erhöhung des Teststromes im
Vergleich zu anderen Proben, d. h., die Erosionsbeständigkeit ist sogar im Bereich stärkerer Ströme erhöht.
Dieser Effekt resultiert wahrscheinlich aus der gleichzeitigen Anwesenheit von Magnesium- oder Manganoxid.
Die sich auf der Kontaktoberfläche als Folge der Erosion entwickelnde Rauhheit war in jeder Probe
geringer als bei den Ag- und Ag-12CdO-Kontakten.
Die F i g. 4 zeigt die Ergebnisse von Kontaktwider-Standsmessungen,
die mit jeder Probe durchgeführt wurden. Alle Proben weisen eine ähnliche Tendenz auf
wie die Ag- und Ag-12CdO-Kontakte. Es hat sich gezeigt, daß diese Ag- und Ag-12CdO-Kontakte einen
geringen Kontaktwiderstand und eine geringe Änderung des Kontaktwiderstandes aufwiesen.
Die Ergebnisse von Verschweißungsadhäsionsbeständigkeitstests, die mit jeder Probe durchgeführt wurden,
sind in der Fig.5 dargestellt. Die Probe Nr. 1 (0,5 La),
die Probe Nr. 2 (1 La), die Probe Nr. 3 (1 Sm) und die Probe Nr. 5 (0,4 La + 0,49 Zr) wiesen alle eine
Beständigkeit gegen Verschweißungsadhäsion auf, die derjenigen des Ag-12CdO-Kontaktes, der für seine
ausgezeichnete Verschweißungsadhäsionsbeständigkeit bekannt ist, weit überlegen war. Insbesondere die Probe
Nr. 5 wies eine stark verbesserte Beständigkeit gegen Verschweißungsadhäsion auf aufgrund des durch die
gleichzeitige Anwesenheit von La-Oxid und Zr-Oxid erzielten synergistischen Effekts. Die gleichzeitige
Anwesenheit von Titan, Nickel und Zink führte zu dem gleichen synergistischen Effekt wie Zirkonium. Die
Beständigkeit gegen Verschweißungsadhäsion von Ag-(0,5 bis 3 Atomprozent)Mn-Oxid und Ag-(0,5 bis 3
Atomprozent)Mg-Oxid war nicht besser als diejenige des Ag-Kontaktes. Dagegen wiesen die Proben Nr. 4
und Nr. 6 eine gegenüber dem Ag-Kontakt verbesserte Beständigkeit gegen Verschweißungsadhäsion auf. Dies
ist möglicherweise auf den synergistischen Effekt durch die gleichzeitige Anwesenheit von La- oder Sm-Oxid
zurückzuführen.
Aus den vorstehenden Angaben geht hervor, daß das erfindungsgemäße Silberlegierungskontaktmaterial, das
mindestens ein Oxid eines Elements der seltenen Erden der Cergruppe enthält, eine ausgezeichnete Erosionsbeständigkeit
und einen ausgezeichneten Kontaktwiderstand, die den entsprechenden Eigenschaften des
Ag-12CdO-Kontaktes vergleichbar sind, sowie eine überlegene Beständigkeit gegen Verschweißungsadhäsion
aufweist. Darüber hinaus ist es klar, daß die Anwesenheit von Oxiden von Elementen der seltener
Erden der Cergruppe, auch wenn sie in geringer Mengen vorliegen, die Erzielung von größeren Effekter
unterstützt und daß die gleichzeitige Anwesenheit vor anderen Metalloxiden zu synergistischen Effekten führt
So wird beispielsweise durch die gleichzeitige Anwesen heit von Magnesium- oder Manganoxid die Erosionsbe
ständigkeit erhöht, während durch die gleichzeitige Anwesenheit von Zirkonium-, Titan-, Nickel- odei
Zinkoxid die Beständigkeit gegen Verschweißungsad häsion verbessert wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Elektrisches Kontaktmaterial aus einer Silber und mindestens ein Metalloxid enthaltenden Legie- .s
rung, dadurch gekennzeichnet, daß das Kontaktmaterial außer dem Silber die folgenden
darin gleichmäßig dispergierten Oxide enthält:
a) bis zu 2,5 Atomprozent, bezogen auf das Metall, wenigsten» eines Oxids aus der durch die
Metalle Magnesium, Mangan, Zirkonium, Titan, Nickel und Zink bestehenden Gruppe und
b) 0,05 bis 5 Atomprozent, bezogen auf das Element, wenigstens eines Oxids eines Elements
der seltenen Erdmetalle, wobei der aus den Oxiden zu a) und b) insgesamt resultierende
Gehalt an Oxiden 5 Atomprozent nicht übersteigt.
2. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Kontaktmateräls der im Anspruch 1 angegebenen
Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß man zunächst eine aus dem Silber und den
angegebenen Metallen bzw. seltenen Erdmetallen bestehende Legierung schmilzt, so daß sich die
geringen Mengen der Metalle bzw. seltenen Erdmetalle in dem Silber gleichmäßig auflösen, und
daß man dann die so erhaltene Zusammensetzung in einer oxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs von 400 bis 900°C so
lange erhitzt, bis die geringen Mengen der darin enthaltenen Metalle bzw. seltenen Erdmetalle in ihre
Oxide umgewandelt worden sind.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732306825 DE2306825B2 (de) | 1973-02-12 | 1973-02-12 | Elektrisches kontaktmaterial aus einer silber und mindestens ein metalloxid enthaltenden legierung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19732306825 DE2306825B2 (de) | 1973-02-12 | 1973-02-12 | Elektrisches kontaktmaterial aus einer silber und mindestens ein metalloxid enthaltenden legierung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2306825A1 DE2306825A1 (de) | 1974-08-29 |
DE2306825B2 true DE2306825B2 (de) | 1977-08-11 |
Family
ID=5871648
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19732306825 Withdrawn DE2306825B2 (de) | 1973-02-12 | 1973-02-12 | Elektrisches kontaktmaterial aus einer silber und mindestens ein metalloxid enthaltenden legierung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE2306825B2 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0024349A1 (de) * | 1979-08-17 | 1981-03-04 | Degussa Aktiengesellschaft | Werkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung |
WO1995006321A1 (de) * | 1993-08-23 | 1995-03-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Kontaktwerkstoff auf silber-basis, verwendung eines solchen kontaktwerkstoffes in einem schaltgerät der energietechnik und verfahren zur herstellung des kontaktwerkstoffes |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4180715A (en) * | 1978-05-05 | 1979-12-25 | Westinghouse Air Brake Company | Vital movable electricl contact arrangement |
-
1973
- 1973-02-12 DE DE19732306825 patent/DE2306825B2/de not_active Withdrawn
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0024349A1 (de) * | 1979-08-17 | 1981-03-04 | Degussa Aktiengesellschaft | Werkstoff für elektrische Kontakte und Verfahren zu seiner Herstellung |
WO1995006321A1 (de) * | 1993-08-23 | 1995-03-02 | Siemens Aktiengesellschaft | Kontaktwerkstoff auf silber-basis, verwendung eines solchen kontaktwerkstoffes in einem schaltgerät der energietechnik und verfahren zur herstellung des kontaktwerkstoffes |
CN1056012C (zh) * | 1993-08-23 | 2000-08-30 | 西门子公司 | 银基触头材料和这类材料在能源技术的开关设备中的应用以及这类触头材料的制备方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE2306825A1 (de) | 1974-08-29 |
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BHN | Withdrawal |